玻璃窑炉高温烟道膨胀节在线改造

曹世兰（科立视材料科技有限公司，福建 福州 350000）



玻璃窑炉高温烟道膨胀节在线改造

曹世兰
（科立视材料科技有限公司，福建 福州 350000）

摘 要：科立视材料科技有限公司玻璃窑炉高温烟道膨胀节在2013年5月投入使用至2014年11月，发现膨胀节已经完全腐蚀，经过对膨胀节损坏原因、设计要求及膨胀节的作用分析，采取了同钢烟道同材质同壁厚直管段在线更换措施，运行到2016年3月还保持完好，避免定期在线更换膨胀节影响炉压波动，从而造成对生产影响，取得预期效果。

关键词：玻璃窑炉；高温烟道膨胀节；在线改造

1 高温烟道膨胀节损坏基本情况

该膨胀节于2013年3月安装，5月投入运行，经过18个月的运行，已经完全腐蚀，烟道变形严重，影响烟道的安全平稳运行，如图1所示。

2 膨胀节的设计参数

该膨胀节设计压力0.2MPa，介质温度为800℃，波数6、层数1、波纹管厚度1mm、直径450mm、长度450mm、法兰厚度10mm，波纹管及法兰材质均为SUS316L不锈钢，轴向最大补偿量70mm，刚度100N/mm。

3 膨胀节腐蚀原因分析

该膨胀节使用场合（如图2所示）为玻璃窑炉高温烟气，烟气温度设计为800℃，由于现场调节的不可避免时而达到850℃，烟气含有NOx、NaO等酸碱性腐蚀性物质，在高温下容易对钢烟道及膨胀节腐蚀。由于该膨胀节靠近窑炉出口，后段长度2.63m，升温800℃膨胀量约40mm，如波纹管厚度加厚，寿命可以延长，但在膨胀节长度有限情况下，膨胀节的刚度将提高，膨胀时对窑炉出口处的砖面形成很大的反作用力，可能破坏出口处的砖结构，引起倒塌，膨胀节波纹管厚度通过测算最佳选择取1mm。以上各不利因素不可避免，如本次还使用膨胀节进行更换，后期只能定期被动对膨胀节实施更换作业，影响生产的稳定性。

图1

4 膨胀节腐蚀损坏改进措施

4.1 膨胀节更换难度分析

由于窑炉运行后无法停机，高温烟气无法停止，必须在线更换，这给定期更换膨胀节增加很大难度，表现为以下几点：

（1）拆除难度

如图2所示：膨胀节波纹管已经完全腐蚀，法兰及螺栓虽没有完全腐蚀，但在高温环境下已无法拆除，只能在高温下实施危险切割作业。

（2）安装难度

切割原法兰后，必须制作新法兰且在线焊接，由于管道温度采取降温措施后预计还达650℃，在这种环境下严重影响焊接质量，焊接时间。

（3）影响生产时间

以8人（2班作业，每班4人，高温环境交替作业）测算：拆除原管道保温棉，切割法兰、安装法兰、安装保温需10h，影响窑炉正常运行达12h，破坏原来生产线的各工艺参数，影响生产时间将达24h（工艺参数的恢复稳定等需很长时间）

4.2 膨胀节替代品的设计分析

膨胀节损坏后，若还用新膨胀节更换，寿命还是小于烟道寿命，在钢烟道寿命前还需更换，且更换难度逐步加大、影响生产时间加长，故拟取消膨胀节，直接用和烟道同材质、同壁厚的316L不锈钢直管段替代，靠窑炉一端和原管件焊接，一端预留伸缩缝并安装支架，这样寿命就有条件达到烟道的寿命，再不会出现因更换膨胀节而影响生产的事情，下面就可行性进行分析。

（1）该膨胀节的作用

（a）补偿钢烟道温度变化（从常温到800℃）的轴向热膨胀量，且补偿轴向力小于一定值，避免对窑炉砖结构产生破坏。

（b）避免烟气外泄或漏风。

（2）膨胀量计算

膨胀量δ=材料热膨胀系数×长度×温度变化值

该膨胀节后段316L钢烟道长度为2.63m，使用温度800℃，升温前温度设为20℃，316L不锈钢在800℃时线膨胀系数取19×10-6/℃，膨胀量δ=19×10-6× 2630× 780≈39mm。

现场情况：由于钢烟道已运行在800℃情况下在线更换膨胀节，更换时由于该段烟气为负压，拆除时会有外气吸入，后段温度经预估将降低到650℃，故更换安装保温后温度只提高150℃，这个时候的安装膨胀量δ=19×10-6×2630×150≈7.5mm。

图2

图3

（3）烟道通气量计算分析

烟道抽烟风机的运行频率：更换时运行频率为32Hz，最大可达50Hz，功率为37kW，烟道抽烟风机的抽烟量：50Hz时3.5Nm3/s，在32Hz时抽气量可近似取为：2.24Nm3/h。

（a）预留膨胀缝的必要性及对烟道抽烟风机运行及炉压的影响：

考虑到极限情况，窑炉烟道烟气冷却风机损坏时，窑炉排气温度可达1000℃，这个时候为保证（由于没有膨胀节补偿）增加的膨胀量对窑炉砖结构造成反作用力而破坏，故须预留膨胀缝且膨胀缝预留量要大于从800℃～1000℃情况下的新增膨胀量。

预留膨胀缝δ=19×10-6×（2630+374）×（1000-800）=11.4mm（374来源见后）

预留膨胀缝的通气面积A1=π×D× δ=3.14×450×11.4= 16108mm2

烟道通气面积A=π×D2/4=3.14× 4502/4≈158961mm2

预留膨胀缝通气面积占烟道通气面积比为A1/A×100%≈10%，若没有加保温棉阻止漏气（经测试该段烟气压力约为-10Pa）风机频率将会提高10%达35.2Hz（风机运行频率和抽风量线性近似计算），在未加保温棉裸露情况下，预留膨胀缝影响抽烟量问题可以接受，不会影响炉压。

（b）保温棉的通气能力测试（部分数据模拟现场）

如图3所示，压力表量程为0～60Pa，气体温度21℃，管道及气管接头体积V0约为286132mm3，保温棉（ISOWOOL1000）尺寸为100mm×100mm×50mm，以厚度方向堵住（压紧力约为2kg）内孔Φ27的钢管，检查其它无漏气情况下，进过10次简易测试，压力表值从30Pa减到10Pa用时1.5s，根据理想气体动态方程P0V0/T0=P1V1/T1.，设P0为101325+30（Pa），V0为286132mm3，T0、T1均为273+21（k），P1为101325+10 （Pa），则V1=286188mm3，漏气量V漏=V1-V0=286188-286132=56mm3。则堵口处单位漏气量V单=56/（堵口面积572.3×时间1.5）=0.065mm3/mm2×s= 0.06Nmm3/mm2×s。

结论：每平方毫米孔洞在20Pa气压2kg压紧力下每秒通过ISOWOOL1000尺寸100mm×100mm×50mm保温棉流量为0.06Nmm3。

（c）加保温棉后预留膨胀缝对烟道通气的最终影响

预留膨胀缝的面积为A1=16108mm2，按测试条件加保温棉后通气量为0.06×16108=966mm3，由于现场保温棉加2层（模拟测试1层），现场压差10Pa（模拟测试20Pa），故现场预留膨胀缝加保温棉后漏气量将会小于966mm3，而烟道抽烟风机频率每变化1Hz的抽风量为70000mm3/s，对烟道抽烟风机的频率影响甚微，可忽略不计，因此预留膨胀缝加ISOWOOL1000保温棉防止漏风方案可行。

4.3 膨胀节替代品——直管段的设计

（1）直管段的长度确定

由于烟道上原膨胀节长度为450mm，扣除没有腐蚀的法兰20mm，烟道800℃情况下膨胀量39mm，实际原膨胀节拆除后空段长度为：450-20-39=391mm，设直管段的长度为L，则：

直管段长度L+直管段长度L800℃情况下的膨胀量=391-预留膨胀缝

L+19×10-6×L×780=391-19× 10-6×（2630+L）×（1000-800）

L≈374mm

实际设计时，考虑到原膨胀节法兰螺栓腐蚀不严重，为安装方便必须查找原膨胀节图纸，预留法兰螺栓突起部分40mm，实际设计时长度应为2段组成，主段长度L主=391-40=351mm，辅段长度L辅=374-351+现场焊接重合长度27=50mm

（2）直管段的外径确定

考虑到原烟道直径为450mm，可以取直径450mm。

（3）直管段材料及厚度的确定

为保证同原烟道的寿命相同，材料选择为316L不锈钢，厚度为5mm。

（4）直管段支架确定

由于膨胀节损坏后，靠近窑炉砖结构端变形段（方孔变圆孔）只靠塞进窑炉砖结构连接部支撑，长期可能导致砖结构变形，为安全起见，直管段一端和原变形段焊接，在直管段下部安装隔热可调整支撑架。

（5）设计图（如图4所示）。

4.4 现场安装情况（如图5所示）

图4

图5

5 用直管段替代膨胀节在线施工注意事项

5.1 在拆除工作前，协调生产部门，认真研究施工方案及施工过程可能存在的问题，做好必要的预防措施和事前准备，如生产工艺参数调整，人员安全防护、防火措施等。

5.2 拆除时缓慢进行，注意人员烫伤、窑炉炉压变化、烟道抽风风机的运行情况，确认无问题后，方可继续施工。

5.3 安装时直管段逐步推进，到位时调整角度、高度达要求后，先和窑炉端的变形段焊接加固。

5.4 待直管段升温稳定后，测量直管段及后段的温度，计算升温到800℃时产生的膨胀量，加上预留膨胀缝，调整直管段的辅段位置并焊接。

5.5 安装保温棉，注意预留膨胀缝处不能塞进保温棉，保温棉固定后，再装保温棉的外层。

5.6 观察烟道抽风风机的运行频率、炉压变化情况、直管段支架的温度，待稳定且达要求后，方可整理工具收工。

5.7 做好施工总结

结语

本次改造通过对膨胀节损坏原因、设计要求及膨胀节的作用分析，采取了同钢烟道同材质同壁厚直管段在线更换措施，从2014年12月改造完成后运行到2016 年3月共27个月一直保持完好，避免定期在线更换膨胀节影响炉压波动，从而造成对生产影响，取得预期效果。

参考文献

［1］张可伟.催化装置高温烟道膨胀节开裂分析及改进［J］.炼油技术与工程，2014，44 （6）：30-33.

中图分类号：TQ171

文献标识码：A